Мобильный лидар для зондирования атмосферного озона на наклонных и горизонтальных трассах Российский патент 2023 года по МПК G01S17/95 

Область техники, к которой относится заявляемое изобретение, предназначено для дистанционного определения концентрации озона на наклонных и горизонтальных трассах, используя методы контроля атмосферы.

Озон играет определяющую роль в поглощении жесткой солнечной ультрафиолетовой радиации, поддерживая таким образом достаточно низкий и биологически безопасный уровень этого излучения у поверхности земли.

Для измерения на наклонных трассах концентрации озона применяются лазерные локаторы (лидары). Лидарные измерения озона выполняются на основе метода дифференциального поглощения рассеянной назад энергии лазерного излучения в ультрафиолетовом диапазоне спектра 200–370 нм (полоса Хартли-Хаггинса).

Известен аналог изобретения мобильный лидар дифференциального поглощения для зондирования озона TOPAZ DIAL (Alvarez R.J., Senff C.J., Langford A.O., Weickmann A.M., Law D.C., Machol J.L., Merritt D.A., Marchbanks R.D., Sandberg S.P., Brewer W.A., Hardesty R.M., Banta R.M. Development and Application of a Compact, Tunable, Solid-State Airborne Ozone Lidar System for Boundary Layer Profiling // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2011. V. 28. N. 10. P. 1258-1272). Передатчик лидара TOPAZ основан на лазере Ce:LiCAF, который накачивается счетверенным лазером Nd:YLF. Лидар производит световые импульсы длительностью 100 нс с частотой повторения 1 кГц и может быть настроен на длины волн зондирования в диапазоне от 283 нм до 310 нм с выходной энергией импульса 0,1 мДж. TOPAZ построен на коаксиальной схеме зондирования атмосферы. Приемо-передающее регулируемое зеркало отражает лазерное излучение в атмосферу с углом наклон от 2° до 90°. Обратно-рассеянный свет собирается с помощью приемо-передающего регулируемого зеркала и ньютоновского телескопа диаметром 0,5 м. Приемно-регистрирующая аппаратура лидара имеет в своем составе фотоэлектронные умножители (ФЭУ) R2076 фирмы HAMAMATSU, работающие в аналоговом режиме. Полученные лидарные сигналы с пространственным разрешением 90 м позволяют восстанавливать профили озона в диапазоне 0,4–5 км.

Основным недостатком аналога является малое пространственное разрешение лидарных сигналов 90 м и покрываемый высотный диапазон 0,4–5 км.

В качестве прототипа выбрано устройство (RU 215328 U1, 2022). Лидар работает на паре длин волн зондирования 299/341 нм с частотой повторения 20 Гц. Эти длины волн зондирования получаются после вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) - преобразования четвертой гармоники (266 нм) Nd:YAG лазера в ВКР-ячейке, заполненной водородом давлением 1 атм. Лазерное излучение после ВКР-ячейки попадает на поворотные зеркало. Отраженный от зеркала луч попадает в зеркальный пятикратный коллиматор, который после уширения диаметра пучка направляет лазерное излучение на выходное зеркало, расположенное над котрзеркалом в телескопе (коаксиальное исполнение) под углом 45°. Обратно рассеянное оптическое излучение собирается приемным телескопом, выполненным по схеме Кассегрена с главным приемным зеркалом диаметром 0,35 м, селектируется в двухканальной кювете спектральной селекции и регистрируется фотоэлектронными умножителями ФЭУ (Н12386-210) фирмы HAMAMATSU, работающими в режиме счета импульсов фототока. Электрические импульсы ФЭУ усиливаются усилителями-дискриминаторами фирмы HAMAMATSU и поступают на счетчик импульсов фототока (счетчик фотонов) PHCOUNT_4Е, где происходит их суммирование по 16384 временным интервалам с разрешением по высоте 1,5 м. Охватываемый лидаром вертикальный высотный диапазон соответствует 0,1–12 км.

Основным недостатком прототипа является лидарное зондирование только на вертикальных трассах (90º), кювета спектральной селекции для двухканального приема лидарных сигналов и покрываемый высотный диапазон 0,1–12 км.

Задачей изобретения является получение лидарных сигналов с помощью лидара, работающего на длинах волн 299/341 нм на наклонных и горизонтальных трассах длиной до 18 км с высоким пространственным разрешением, равным 1,5 м.

Технический результат заключается в создании лидара на длинах волн зондирования 299/341 нм, способного стабильно функционировать в режимах дистанционного зондирования атмосферного озона как на наклонных, так и на горизонтальных трассах до 18 км с высоким пространственным разрешением равным 1,5 м.

В предлагаемом изобретении используется лидар дифференциального поглощения, в составе которого один Nd:YAG-лазер и одна ВКР-ячейка с водородом, оборудованная фокусирующей и коллимирующей линзами, которая позволяет преобразовать лазерное излучение от единственного источника изучения на длине волны 266 нм в излучение на паре длин волн 299/341 нм и телескопа с диаметром главного зеркала 0,35 м. Лидар позволяет получать лидарные сигналы в высотном диапазоне 0,1–18 км и на этой основе восстанавливать профили озона. Увеличение высотного диапазона достигается внедрением кюветы для четырехканального приема лидарных сигналов. Зондирование на наклонных трассах достигается за счет введения в лидарную систему приемо-передающего регулируемого зеркала, уставленного над телескопом, который собран по схеме Кассегрена.

Техническое решение позволяет проводить измерение озона на наклонных трассах в высотном диапазоне 0,1–18 км и получать лидарные сигналы с высоким пространственным разрешением 1,5 м. Из зарегистрированных лидарных сигналов восстанавливаются профили озона с пространственным разрешением 46,5 м.

На Фиг. 1 приведена блок-схема лидара, где 1 – твердотельный импульсный лазер SOLARLS; 2, 3, 7, 9 - 11 – поворотные зеркала; 4 – фокусирующая линза; 5 – ячейка вынужденного комбинационного рассеяния с водородом; оборудованная линзами; 6 – коллимирующая линза; 8 – зеркальный коллиматор; 12 – приемный телескоп, собранный по схеме Кассегрена с главным зеркалом диаметром 35 см; 13 – кювета спектральной селекции; 14 – полевая диафрагма; 15 – коллимирующая линза; 16 – спектроделительное зеркало; 17, 22 – светоделительные зеркала с пропусканием ~90% и отражением ~10%; 18, 20, 23, 25 – интерференционные фильтры; 19, 21, 24, 26 – фокусирующие линзы; 27 - 30– модули фотоэлектронных умножителей Н12386-210 HAMAMATSU; 31– счетчик фотонов PHCOUNT_4Е; 32 – световод для синхронизации работы счетчика фотонов и импульсного Nd:YAG-лазера; 34 – оптическая скамья.

Устройство работает следующим образом:

Излучение Nd:YAG лазера на длине волны 266 нм (4-я гармоника) (1) проходя и отражаясь от зеркал (2, 3), попадает на ВКР-ячейку с водородом. Необходимая для получения эффекта вынужденного комбинационного рассеяния плотность мощности накачки обеспечивается линзой (4) с фокусным расстоянием 0,52 м. После линзы (4) лазерное излучение попадает в ВКР-ячейку (5) с водородом - трубу из нержавеющей стали ∅_внут 3 см ×1,04 м, оборудованную линзами (4) и (6) в качестве входных и выходных окон, выполненных из материала КУ-1. Энергия импульса накачки на длине волны 266 нм составляет 29 мДж. После ВКР-ячейки лазерное излучение проходит через коллимирующую линзу (6) с фокусным расстоянием 0,52 м. Далее лазерное излучение на длинах волн 299 и 341 нм отражаясь от поворотного зеркала (7) попадает в зеркальный коллиматор (8), который расширяет луч в 5 раз, тем самым уменьшает расходимость до 0,2 мрад. После зеркального коллиматора с помощью поворотных зеркал (9, 10) излучение направляется на поворотное зеркало (11) c регулируемым углом наклона от 45° до 90° и отражается в атмосферу. Поворотное зеркало (10) установлено соосно в центре приемного телескопа. Собранная коаксиальная схема вывода лазерного излучения в атмосферу позволяет получить нулевую базу лидара и обеспечить полный прием лидарных сигналов.

Оптический сигнал обратного рассеяния из атмосферы при вертикальном зондировании озона (при отсутствии поворотного зеркала (11)) или с наклонной трассы зондирования (при установке поворотного зеркала с регулируемым углом наклона (11)) собирается приемным телескопом, разработанным по схеме Кассегрена с главным приемным зеркалом (12) ∅ 0,35 м и фокусным расстоянием 0,7 м. Принятое из атмосферы телескопом обратно рассеянное излучение лазера направляется в кювету спектральной селекции (13). В фокусе главного премного зеркала располагается полевая диафрагма (14). После полевой диафрагмы диаметром 1 мм оптический сигнал поступает в кювету спектральной селекции (13), где, проходя линзу (15), коллимируется. Параллельное излучение попадает на дихроичное зеркало (16), где происходит селекция по длинам волн. Излучение на длине волны 299 нм отражается, а 341 нм пропускается (16). После дихроичного зеркала излучение проходит через светоделительные зеркала (17, 22), которые пропускают 90% светового потока и отражают 10%. Данные зеркала необходимы для работы модулей фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) в линейном режиме и расширения высотного диапазона измерений. После светоделительных зеркал оптическое излучение проходит через узкополосные интерференционные фильтры (23,25) для 299 нм и (18, 20) для 341 нм и затем фокусируется линзами (19, 21, 24, 26) на фотокатод модулей фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) Н12386-210 фирмы HAMAMATSU (27-30) на соответствующей длине волны. Модули ФЭУ служат для преобразования оптического сигнала в электрический сигнал уровней транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Электрические сигналы с модулей ФЭУ через коаксиальные кабели поступают на автономный четырехканальный счетчик фотонов PHCOUNT_4Е (31) в регистрирующем тракте лидара, где счетчиком происходит суммирование оцифрованных сигналов по 16384 временным интервалам с разрешением 10 нм (1,5 м). Автономный счетчик фотонов PHCOUT_4E работает как веб-сервер, доступ к которому можно получить с любого подключенного к Интернету компьютера, введя IP-адрес в веб-браузере. PHCOUT_4E можно подключить к сети либо с помощью сетевого кабеля, либо через Wi-Fi. Для синхронизации работы счетчика фотонов (31) с импульсным Nd:YAG лазером используется оптический световод (32), который установлен после ячейки ВКР-преобразования. Все устройства (1-13) включая PHCOUNT_4Е закреплены резьбовым соединением на оптической скамье (34).

Изобретение относится к области измерительной техники. Технический результат заключается в создании лидара на длинах волн зондирования 299/341 нм, способного стабильно функционировать в режимах дистанционного зондирования атмосферного озона как на наклонных, так и на горизонтальных трассах до 18 км с высоким пространственным разрешением, равным 1,5 м. Технический результат достигается за счет введения в лидарную систему приемо-передающего регулируемого зеркала, уставленного над телескопом, который собран по схеме Кассегрена, и заменой кюветы спектральной селекции на кювету для четырехканального приема лидарных сигналов. 1 ил.

Мобильный лидар для зондирования тропосферного озона на наклонных и горизонтальных трассах, состоящий из твердотельного импульсного лазера поворотных зеркал, ячейки вынужденного комбинационного рассеяния с водородом (ВКР-ячейки), зеркального коллиматора, приемного телескопа, собранного по схеме Кассегрена, приемо-передающего регулируемого зеркала, кюветы спектральной селекции, полевой диафрагмы, светоделительного зеркала, спектроделительных зеркал, интерференционных фильтров, модулей фотоэлектронных умножителей, счетчика фотонов с возможностью подключения к компьютеру, световода для синхронизации работы счетчика фотонов и импульсного лазера, отличающийся тем, что в передающий тракт лидара установлено приемо-передающее регулируемое зеркало, а в регистрирующий тракт - кювета спектральной селекции для четырехканального приема лидарных сигналов.